Метод масс-спектрометрии для визуализации синтетических полимеров с использованием средней молекулярной массы и полидисперсности в качестве показателей.

Введение

Масс-спектрометрия с лазерной десорбцией/ионизацией с использованием матрицы (MALDI) является мощным инструментом для анализа синтетических полимеров.
Этот метод в сочетании с времяпролетным масс-спектрометром высокого разрешения можно использовать для выявления различий в мономерах, концевых группах полимеров и их молекулярно-массовых распределениях. Молекулярно-массовое распределение часто выражается как среднечисловая молекулярная масса (M_n), средневесовая молекулярная масса (M_w) и дисперсность (D). Совсем недавно масс-спектрометрическая визуализация MALDI (MALDI-MSI) использовалась для визуализации местоположения соединений на поверхности образцов.
Необработанные данные MALDI-MSI включают информацию о положении (X и Y), а также информацию о масс-спектре (м / г и интенсивность) для каждой позиции. Затем можно указать пик целевого соединения для расчета интенсивности ионов для каждого пикселя, чтобы нарисовать массовое изображение. MALDI-MSI широко используется для определения локализации белков, пептидов, липидов и лекарств на срезах замороженных тканей.
Однако этот метод не нашел широкого применения для анализа полимеров. Одной из причин этого является то, что полимеры имеют молекулярно-массовое распределение, что означает, что массовые изображения, основанные на определенных степенях полимеризации (специфических м / г значение, обычно используемое традиционными методами), не обязательно отражают четкую картину полной локализации полимера. В этом отчете мы исследуем метод визуализации MSI для синтетических полимеров, в котором используется M_n, Мистер_w и D как индексы для визуализации.

Рабочий процесс

Рабочий процесс визуализации полимеров показан на рисунке 1. Эта функция реализована в программном обеспечении JEOL msMicroImager™ V2.

• Получите данные MALDI-MSI с помощью JMS-S3000.
• Загрузите необработанные данные в msMicroImager™ и сделайте средний масс-спектр или масс-спектр области интереса (ROI).
• Составьте список пиков полимера для масс-спектра, полученного на этапе 2.
  Список пиков полимера также можно рассчитать на основе информации о мономерах и концевых группах.
• Извлекаются все изображения массы, соответствующие пикам в списке пиков полимера.
• М_n, Мистер_w, и D рассчитываются для каждого пикселя с использованием следующих уравнений.
  

  M_n,_p, Мистер_w,_pи D_p представляют М_n, Мистер_w и D для каждого пикселя соответственно. В уравнении p — номер пикселя, i — номер массового изображения, k — общее количество пиков полимера. М_i - масса массового изображения номер i, I_p,_i — интенсивность пикселя с номером p в массовом изображении с номером i.

• Сделать изображения для М_n, Мистер_w и D.

Рисунок 1 Процедура изготовления изображений M_n, Мистер_w, и Д.

Экспериментальный

Для проверки метода визуализации синтетических полимеров был приготовлен модельный образец с использованием полиэтиленгликоля с молекулярной массой 600 и 1000 (ПЭГ600 и ПЭГ1000 соответственно).
Используемые реагенты представлены в таблице 1. В левом пятне нанесен смешанный раствор ПЭГ1000, α-CHCA и NaTFA 5/10/1 (об./об./об.), а смешанный раствор ПЭГ600, ПЭГ1000 , α-CHCA и NaTFA 5/5/10/1 (об./об./об./об.) были обнаружены в правом месте (рис. 2).
Данные MALDI-MSI были измерены с использованием режима положительных ионов SpiralTOF на JMS-S3000. Размер пикселя 50 мкм, частота лазерного облучения 50 раз на каждый пиксель. Анализ и визуализацию MSI выполняли с использованием программного обеспечения JEOL msMicroImager™.

Polymer	ПЭГ600 и ПЭГ1000 1 мг/мл (в МеОН)
матрица	α-CHCA 10 мг/мл (в МеОН)
Катионизатор	NaTFA 1 мг мл (в МеОН)

Таблица 1 Образцы, матрица и катионизатор.

Рисунок 2 Схема образца модели.

Результаты

Средний масс-спектр для всей области образца (правая и левая точки) показан на рис. 3. Наблюдаемый ряд ПЭГ представляет собой HO(C₂H₄О)nH + Na+. Массовые изображения для м / г 569.3 (n=12), 1009.6 (n=23) и 1361.8 (n=30) также показаны на рисунке 3.
Все три иона наблюдались на изображениях правого пятна (смесь ПЭГ600 и ПЭГ1000). Тем не менее м / г Масс-изображение 569.3 не показало какого-либо значительного сигнала в левом пятне из-за присутствия только ПЭГ1000 с более высокой молекулярной массой.
Всего в усредненном масс-спектре серии ПЭГ наблюдалось восемьдесят пиков. Если внимательно просмотреть изображения восьмидесяти масс, связанные с этими ионами, можно будет понять, что правое пятно имеет более широкое распределение полимера, чем левое пятно.
Однако трудно интуитивно и количественно определить эти результаты.

Рисунок 3 Усредненный масс-спектр всей области образца. Полимерный ряд с повторяющимся звеном 44 u (C₂H₄О) наблюдалось.
Три массовых изображения ПЭГ, м / г Также были показаны 569.3 (n = 12), 1009.6 (n = 23) и 1361.8 (n = 30).

Для решения этой проблемы М._n, Мистер_w и D-изображения были рассчитаны с помощью программного обеспечения msMicroImager™ с использованием всех восьмидесяти серий масс-изображений ПЭГ (рис. 4).
М_n, Мистер_w и значения D можно легко понять, используя цветовой тон каждого пикселя. Для образа Mn и M_w значения для левого пятна были больше, чем значения для правого пятна, что логично, поскольку в этом пятне присутствует только ПЭГ1000 с большей молекулярной массой. Напротив, D-изображение для правого пятна было больше, чем для левого пятна, из-за более широкого распределения молекулярной массы, присутствующего в правом пятне, которое содержало как PEG600, так и PEG1000.
Кроме того, изображения правого пятна показали 2 области (A, B), в которых M_n, Мистер_w и Д разные. Область A показывает более высокое значение M_n И м_w и более низкий D, что указывает на присутствие в этой области менее дисперсного полимера с более высокой средней молекулярной массой. Масс-спектры области интереса (ROI) для этих двух областей (рис. 5) также показывают пики более высокой интенсивности для м / г < 800 для области B, чем для области A. Эти масс-спектры также подтверждают наблюдение, что область B имеет меньшую M_n И м_w а также большее D, что указывает на более широкое распределение массы в этой области.
Кроме того, эти результаты изображения показывают, что ПЭГ600 и ПЭГ 1000 не были равномерно отложены в правом пятне. Примечательно, что это изменение было бы чрезвычайно трудно (если вообще возможно) определить с помощью обычного метода MSI, создающего изображение каждого иона отдельно (рис. 3) и сравнивая их по отдельности друг с другом.

Выводы

В этом отчете для синтетических полимеров был представлен метод визуализации MALDI-MSI.
Используя этот метод, массовые изображения для серии полимеров (включая ~100 массовых изображений) могут быть объединены в три изображения – среднечисловая молекулярная масса (M_n), средневесовая молекулярная масса (M_w) и индекс полидисперсности (D) — все эти показатели обычно используются для анализа полимеров. Поскольку эти три индекса представляют синтетический полимер в целом, пространственное распределение синтетических полимеров можно понять более интуитивно.

Рисунок 4 Три изображения М_n, Мистер_w и D обобщают восемьдесят изображений масс, включенных в список пиков ПЭГ.

Рисунок 5 Масс-спектры ROI слева (A) и справа (B) от правого пятна. Распределение полимера было более широким в правой руке, что не могло быть определено обычным методом.